Vers les plus hautes et les plus basses énergies pour le réseau High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) en Namibie

Towards highest and lowest energies for the High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) in Namibia

• Auteur / Autrice : Wassim Si said
• Direction : Mathieu De naurois
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LLR - Laboratoire LEPRINCE-RINGUET
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Astroparticule

Mots clés

Mots clés libres

Astronomie Gamma

System Stereoscopic à Haute Energie

Analyse de données

Calibration d'instruments

Gamma astronomy

High Energy Stereoscopic System

Data analysis

Instruments calibration

Résumé

Le réseau High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) est un ensemble de télescopes Cherenkov atmosphériques d'imagerie dédiés à l'étude des rayons gamma cosmiques dans la plage d'énergie allant de dizaines de GeV à des dizaines de TeV. Situé près de la montagne Gamsberg en Namibie, H.E.S.S. bénéficie des conditions d'observation astronomique renommées de la région. Largement salué pour son travail pionnier en astrophysique à haute énergie, le succès de H.E.S.S. doit beaucoup aux efforts de collaboration entre la Namibie et les pays européens, en particulier la France. En 2019, H.E.S.S. a équipé son télescope de 28 mètres de diamètre — le plus grand de son genre — avec une nouvelle caméra, nommée « NamCam ». Cette caméra sert de prototype pour le futur Cherenkov Telescope Array (CTA). Bien que la caméra soit fonctionnelle depuis quatre ans, une analyse approfondie des données qu'elle capture a été quelque peu limitée, et l'instrument n'a pas été utilisé à son plein potentiel. Cette limitation provient du fait que l'analyse des données IACT est influencée par divers facteurs environnementaux, tels que la luminosité locale du ciel nocturne. Elle nécessite une compréhension approfondie de l'instrument, dans ce cas, la caméra. Une telle compréhension ne peut provenir que de simulations détaillées de chaque composant de la chaîne de détection, en particulier du comportement du télescope et de la caméra. Ces simulations, exigeantes tant en tests expérimentaux qu'en puissance de calcul, jouent un rôle crucial dans la calibration des données du télescope et la production de fonctions de réponse fiables. La mise en oeuvre de ces simulations est une tâche immense, nécessitant des centaines d'heures de travail de scientifiques (et d'étudiants en doctorat) et encore plus d'heures de calcul sur des ordinateurs haute performance. Cependant, cela est indispensable pour garantir des retours optimaux sur l'investissement. Le projet de doctorat proposé, issu d'un partenariat entre l'IN2P3 et l'Université de Namibie (UNAM), a reçu son financement en 2023 de la part du CNRS dans le cadre de l'appel à projet « CNRS-Africa JRP ». Son objectif est de concevoir des outils pour traiter conjointement les données acquises avec la nouvelle caméra. Ce faisant, il abordera les limitations actuelles posées par la compréhension incomplète de l'instrument. Cela permettra notamment d'utiliser efficacement toute la gamme dynamique de l'instrument, allant des énergies les plus basses, où seul le grand télescope fonctionne, aux énergies les plus élevées, où l'inter-calibration de divers télescopes devient cruciale. L'étudiant en doctorat choisi, en collaboration avec les étudiants et post-doctorants de l'UNAM, sera chargé de : - Développer les outils pour assurer la calibration de la caméra NamCam avec une précision de 10 % ou mieux. - Améliorer la chaîne de simulation Monte Carlo dans le cadre existant « RunWise », garantissant la simulation précise de chaque observation dans des conditions réalistes. Cela inclut la calibration actuelle de la caméra, la luminosité mesurée du ciel nocturne, et les conditions atmosphériques et météorologiques prédominantes, afin d'offrir les fonctions de réponse les plus précises et à jour pour l'instrument. - Étendre les outils de reconstruction existants pour intégrer les données de NamCam et créer un processus de reconstruction conjointe. - Augmenter le taux de rejet du bruit de fond des rayons cosmiques, nettement plus prévalent, qui constitue pour les IACTs la principale source d'interférence, en utilisant des méthodes de pointe, y compris des techniques d'apprentissage profond.

The High Energy Stereoscopic System (H.E.S.S.) is an assembly of Imaging Atmospheric Cherenkov Telescopes dedicated to the study of cosmic gamma rays in the energy range from tens of GeV to tens of TeV. Located near the Gamsberg mountain in Namibia, H.E.S.S. benefits from the area's renowned astronomical observing conditions. Widely celebrated for its pioneering work in high-energy astrophysics, the success of H.E.S.S. owes much to the collaborative efforts between Namibia and European countries, especially France. In 2019, H.E.S.S. equipped its 28-meter diameter telescope — the largest of its type — with a new camera, aptly named “NamCam.” This camera serves as a prototype for the forthcoming Cherenkov Telescope Array (CTA). Although the camera has been functional for four years, comprehensive analysis of the data it captures has been somewhat limited, and the instrument hasn't been utilized to its full potential. This limitation arises because analysing IACT data is influenced by various environmental factors, such as the local luminosity of the night sky. It necessitates a profound comprehension of the instrument, in this case, the camera. Such understanding can only come from intricate simulations of every component in the detection chain, especially the behaviour of the telescope and camera. These simulations, demanding in both experimental testing and computing power, play a crucial role in calibrating telescope data and producing reliable response functions. Executing these simulations is an immense undertaking, demanding hundreds of hours from scientists (and PhD students) and even more computational time on high-performance computers. However, this is indispensable to guarantee optimal returns on the investment. The proposed PhD project, stemming from a partnership between IN2P3 and the University of Namibia (UNAM), received its funding in 2023 from CNRS under the ''CNRS-Africa JRP'' initiative. Its goal is to devise tools for jointly processing data acquired with the new camera. By doing so, it will address current limitations posed by the incomplete grasp of the instrument. This will, notably, facilitate the efficient use of the instrument's entire dynamical range, spanning from the lowest energies, where only the large telescope functions, to the highest energies, where the inter-calibration of various telescopes becomes crucial. The chosen PhD student, collaborating with students & post-docs at UNAM, will: - Develop the tools needed to provide a calibration of the NamCam camera to an absolute level better that 10%. - Enhance the Monte Carlo simulation pipeline in the existing “RunWise” framework, ensuring the accurate simulation of every observation under realistic conditions. This includes the camera's actual calibration, the measured luminosity of the night sky, and prevailing atmospheric and weather conditions, aiming to offer the most accurate and up-to-date response functions for the instrument. - Expand existing reconstruction tools to incorporate NamCam data and create a joint reconstruction process. - Elevate the rejection rate of the considerably more prevalent cosmic ray background, the primary interference source for IACTs, employing cutting-edge methods, including deep learning techniques. - Utilize the refined tools to analyse data from the iconic radio galaxy, Centaurus A, extending the observational dynamical range to both the lowest and highest energies, and deciphering the spectral shape of this source.